JP2004119514A - Method for forming pattern and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for forming pattern and method for manufacturing semiconductor device Download PDF

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酒井 隆行
Masanobu Kibe
岐部 正信
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大岩 徳久
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pattern forming method which reduces the pattern width of a resist mask while measuring it and has excellent controllability and reproducibility. <P>SOLUTION: On a base layer, resist masks 34a to 34c having patterns at least in partial areas are formed. The resist masks 34a to 34c are etched and irradiated with light to obtain a reflection interference spectral waveform. Based upon the obtained reflection interference spectral waveform, pattern widths of the resist masks 34a to 34c etched in a wavelength range larger than cycles of the patterns of the resist masks 34a to 34c are calculated. On the basis of the calculation results, the end point of the etching is determined to reduce the resist masks 34a to 34c. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パターン形成方法に関する。さらには、そのパターン形成方法を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、金属・酸化膜・半導体(MOS)トランジスタのゲート構造は次のような方法で形成されている。まず、例えば、p型シリコン(Si)基板の上に薄いゲート酸化膜が形成され、更にゲート酸化膜上にポリシリコン薄膜が堆積される。次いで、ポリシリコン薄膜上にフォトレジストが塗布され、フォトリソグラフィ技術を用いてゲートレジストマスクが形成される。次に、このゲートレジストマスクを用いてポリシリコン薄膜及びゲート酸化膜が反応性イオンエッチング(RIE)により選択的にエッチングされ、ゲート構造が加工形成される。RIEは指向性エッチングであるので、ポリシリコン薄膜及びゲート酸化膜がエッチングマスクに対して垂直に加工され、ゲートレジストマスクのパターン寸法でゲート構造が形成される。
【0003】
しかしながら、近年の半導体装置の高集積化、高速化に伴い、ゲート幅は益々狭小化が要求され、上述したフォトリソグラフィ技術のみでは、露光装置の光源の波長に起因する解像度の制限から、微細化の実現が不可能な状況に追い込まれてきている。このため、従来の方法で一旦レジストマスクを形成しておき、その後プラズマ等の反応活性ガス種を用いた等方性エッチングによって、レジストマスクのパターン幅を縮小するパターン形成方法が用いられるようになってきた。ところが、このパターン縮小工程ではレジストマスクのパターン幅の制御は、通常そのエッチング時間を管理することで制御されている。具体的には、数回の予備実験から、エッチング速度をあらかじめ算出し、得られたエッチング速度を用いたエッチング時間制御によって、パターンの縮小幅を定めている。したがって、パターン縮小工程でのエッチング状態の予期せぬ変動等によって、その制御性、再現性が低下し、ゲート構造のパターン幅のバラツキが生じてしまうという問題点がある。
【0004】
また、微細なレジストマスクのパターン幅の測定方法には、通常は走査型電子顕微鏡(SEM)が用いられる。SEMによる測定では、半導体基板を真空引きされたSEM試料室に搭載する必要があり、簡便ではない。更に、SEMでは高エネルギビームを使用するため、レジストマスクにダメージを与えてしまう。このような見地から、パターン幅測定には光学的な方法が望ましい。一方、レジストマスクを用いて絶縁膜の溝を形成する工程において、溝の深さを光学的に測定する方法が開示されている。例えば、下層の配線構造のパターン間隔の2倍以上の波長領域において、反射干渉分光波形強度に基づき溝の深さをパラメータフィッティングにより求めるものである(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−93870号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のゲート構造等のレジストマスクのパターン縮小工程では、エッチング時間の管理によってパターン縮小幅を制御している。このため、パターン縮小幅の制御性、再現性あるいはパターン縮小工程の生産性を向上させることが困難である。また、特許文献1においては、光学的に深さを測定する方法が提案されているが、パターン幅の光学的な測定方法は開示されていない。
【0007】
本発明は、このような課題を解決し、パターン幅縮小工程において、パターン幅を光学的に測定しながら縮小する、制御性及び再現性の良いパターン形成方法を提供することを目的とする。
【0008】
本発明の他の目的は、マスク材のパターン幅を光学的に測定しながら縮小する、制御性及び再現性の良いパターン形成方法を用いた半導体装置の製造方法を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第1の態様は、(イ)下地層の少なくとも一部の領域の上にマスク材を形成する工程と、(ロ)マスク材をエッチングする工程と、(ハ)エッチングが行われたマスク材に光を照射し、マスク材を実質的に透過した後に反射された光の反射光を検知し、反射干渉分光波形を得る工程と、(ニ)マスク材が有するパターンのピッチより大きい波長領域の反射干渉分光波形のデータを用いて、マスク材のパターン幅を算出する工程とを含むパターン形成方法であることを要旨とする。
【0010】
本発明の第2の特徴は、(イ)半導体基板上に下地層を形成する工程と、(ロ)下地層の少なくとも一部の領域の上にマスク材を形成する工程と、(ハ)マスク材をエッチングする工程と、(ニ)エッチングが行われたマスク材に光を照射し、マスク材を実質的に透過した後に反射された光の反射光を検知し、反射干渉分光波形を得る工程と、(ホ)マスク材が有するパターンのピッチより大きい波長領域の反射干渉分光波形のデータを用いて、マスク材のパターン幅を算出する工程と、(ヘ)所望のパターン幅となるまでエッチングされたマスク材を用いて、下地層を選択的に加工する工程とを含む半導体装置の製造方法であることを要旨とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態においては、マスク材のパターン幅の算出が、反射干渉分光波形のエッチングに起因する変化を数値化して行われてもよい。また、マスク材のエッチングが、下地層に対して選択的に行われることが好ましい。シリコン酸化膜等やポリシリコン膜等の下地膜に対して、マスク材としてレジストを用いる場合、マスク材の選択エッチングは、例えば、酸素プラズマを用いて実施される。また、反射干渉分光波形を得る工程が、エッチングを実施するパターン縮小加工チャンバ内に光を導入して行われることが好ましい。また、検知される反射光が、偏光光で、マスク材に照射される偏光光の方向が、マスクのパターンの長手方向に対して略平行とされることが好ましい。また、縮小されたマスク材を用いて、下地層を選択的に加工する工程を、更に含むことが好ましい。
【0012】
以下図面を参照して、本発明の第1及び第2の実施の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【0013】
(第1の実施の形態)
図1に示すように、本発明の第1の実施の形態に係るパターン幅測定装置10は、可視光領域から赤外領域にかけて連続スペクトル分布を有するタングステンランプからなる光源12と、光源12からの入射光を縮小光学系により縮小して、表面にレジスト等の入射光が実質的に透過される膜パターンからなるマスク材を有する半導体基板16に照射するレンズ14と、レンズ14と半導体基板の間に挿入されて入射光を偏光光とする偏光板48と、半導体基板16からの反射光を分配するビームスプリッタ18と、ビームスプリッタ18から分配された反射光を導入する光ファイバ20と、光ファイバ20から導入された反射光を分光する分光器22と、分光された反射光の波長ごとの反射強度を検出して反射干渉分光波形を出力する検出器24と、反射干渉分光波形に基づきマスク材のパターン幅を算出する算出部26とを備えている。
【0014】
本発明の第1の実施の形態において、半導体基板16上に形成された下地層の少なくとも一部の領域上でラインアンドスペース(L/S)パターンを有するレジストマスクを例として説明する。ここで、入射光は、偏光板48によりL/Sパターンの長手方向に略平行な偏光光とされている。偏光光が照射されるレジストマスクのL/Sパターン層は、L/Sパターンの周期(ピッチ)より大きい波長領域の照射光に対しては、レジストマスクのレジスト膜と真空の混合比に対応した平均的な有効屈折率を持つ混合層とみなすことができる(例えば、菊田久雄、オー・プラス・イー(O Plus E.)、第21巻、第5号 543頁参照)。したがって、この混合層と下地層からなる多層膜に対して、レジスト膜と真空の混合比、及びレジストマスクの厚さをパラメータとして、測定された反射干渉分光波形と理論波形とのパラメータフィッティングを行うことによりレジストマスクのパターン幅が算出できる。パターン幅の算出は、算出部26によって実行される。算出部26は、例えば、コンピュータにインストールされたソフトウェアや、ハードウェア化されたプログラム等によって実現される。
【0015】
次に、図2を用いて、本発明の第1の実施の形態に係るパターン形成方法を説明する。図2(a)に示すように、第1の実施の形態に係るパターン形成方法に用いるシリコン(Si)等からなる半導体基板16の主面上には下地層として、シリコン酸化膜(SiO)等の絶縁膜30、およびポリシリコン膜等の導電膜32が順次堆積されている。導電膜32上には、レジストマスク34a〜34cが配置されている。本発明の第1の実施の形態において、絶縁膜30は、厚さ2nmのシリコン酸化膜、導電膜32は、厚さ175nmのポリシリコン膜である。また、レジストマスク34a〜34cは、パターン幅110nm、周期Pr200nm、厚さ300nmのL/Sパターンである。
【0016】
図2(a)に示す半導体基板16がプラズマエッチング装置に設置される。そして、プラズマエッチングによるレジストマスクのパターン縮小工程が実施される。プラズマエッチングには酸素(O)ガスが用いられるが、下地層に対してレジストマスク34a〜34cを選択的にエッチングできるガスであれば、どのようなガスでもよいことは、勿論である。
【0017】
パターン縮小工程の途中でパターン幅測定を行う。即ち、いったんプラズマエッチング装置から取り出された半導体基板16が、パターン幅測定装置に設置される。光源12からの入射光が、レンズ14及び偏光板48により縮小偏光されて半導体基板16の表面に照射される。半導体基板16からの反射光は、ビームスプリッタ18及び光ファイバ20を通って分光器22に導入される。分光器22により分光された反射光は検出器24に出力され、波長ごとの反射光強度が検出される。検出器24の検出結果の反射干渉分光波形が算出部26に出力され、算出部26で半導体基板16上のレジストマスク34a〜34cのパターン幅が算出される。
【0018】
400nmから800nmの波長範囲で反射干渉分光波形を測定すると、図3に示すように、レジストマスク34a〜34cのパターン幅の変化(縮小)に従い反射干渉分光波形が変化する。図3は、一定時間のプラズマエッチング毎に反射干渉分光強度を測定した例である。一定時間のプラズマエッチングにより、パターン幅が5nm縮小していることがわかる。
【0019】
ここで、レジストマスク34a〜34cのL/Sパターンの周期Prが200nmであるのに対して、測定波長領域が400nmから800nmと周期Prよりも大きい。したがって、レジストマスク34a〜34cのL/Sパターン層はレジストと真空の平均的な有効屈折率nを持った一様な混合層と見なすことができる。
【0020】
L/Sパターンの混合比は、ライン部に相当するレジストマスク34a〜34cのレジスト膜の体積比tで表わされる。混合層の有効屈折率nは、波長λでのレジスト膜の屈折率をn(λ)とすると、真空の屈折率は1であるから、
 = {t・n(λ) + (1−t)}1/2   ・・・(1)
で与えられる。また、パターン幅をWとすると、混合比tとL/Sパターンの周期Prにより、
W = t・Pr  ・・・(2)
と求めることができる。
【0021】
したがって、有効屈折率nを持った混合層の単層膜として、反射干渉分光波形が、混合層の混合比tとレジスト膜厚をパラメータとして理論波形にフィッティングされる。フィッティングより得られた混合比から、式(2)を用いてレジストマスクのパターン幅Wが算出される。
【0022】
上記したように算出部26で算出された結果に基づき、パターン縮小工程のプラズマエッチングのエンドポイントが決定される。パターン縮小工程により、レジストマスク34a〜34cは、図2(b)に示すように、パターン幅及び厚さが減少して縮小レジストマスク35a〜35cとなる。最終的に、縮小レジストマスク35a〜35cは、パターン幅が70nmまで縮小され、このときレジスト膜厚は200nmまで減少している。
【0023】
本発明の第1の実施の形態に係るパターン形成方法によれば、レジストマスクのパターン幅を光学的に測定しながら、制御性及び再現性よく縮小することができる。
【0024】
上述した例では、パターン縮小工程のプラズマエッチングは一定時間で繰り返し行っている。この方法では、パターン幅の縮小は制御性、再現性良く行えるが、長時間を要する。したがって、実際のパターン縮小工程においては、プラズマエッチング条件の変動を見越して、例えば、目標パターン縮小幅の80%程度を一回でプラズマエッチングし、その後、第1の実施の形態に係るパターン形成方法を適用して、パターン幅の微調整を行えばよい。
【0025】
また、本発明の第1の実施の形態に係るパターン幅測定装置10においては、偏光板48はレンズ14と半導体基板16の間に設置されているが、偏光板48は他の位置に設置してもよい。例えば、ビームスプリッタ18とレンズ14の間に偏光板48を設置してもよい。また、図4に示すパターン幅測定装置10aのように、偏光板48を光源12とビームスプリッタ18の間に設置して、半導体基板16からの反射光が偏光板48を通過しないようにすることができる。あるいは、半導体基板16への入射光を偏光光とするのではなく、例えば、図5に示すパターン幅測定装置10bのように、偏光板48をビームスプリッタ18と光ファイバ20の間に設置して、反射光の所望の偏光成分だけを検知するようにしてもよい。更に、図6に示すパターン幅測定装置10cのように、ビームスプリッタ18に代えて偏光ビームスプリッタ18aを用い、反射光の所望の偏光成分だけを反射させて光ファイバ20に導くようにしてもよい。
【0026】
また、本発明の第1の実施の形態において、入射光は、L/Sパターンの長手方向に略平行に偏光されているが、L/Sパターンの長手方向に略垂直に偏光させてもよい。この場合は、混合層の有効屈折率nは、
 = {1/[t/n(λ) + (1 − t)]}1/2   (3)
で与えられる。
【0027】
また、本発明の第1の実施の形態においては、レジストマスク34a〜34cのパターン幅と間隔は、等間隔としているが、レジストマスク34a〜34cのパターン幅と間隔は相違してもよい。その場合、レジストマスク34a〜34cの最大の周期Pr以上の波長領域を用いればよい。
【0028】
(変形例)
本発明の第1の実施の形態の変形例に係るパターン形成方法においては、複雑な理論波形を用いずに、レジストマスク34a〜34cのパターン幅及びレジスト膜厚の変化に起因する測定反射干渉分光波形の変化を数値化し、その数値に基づいてレジストマスク34a〜34cのパターン幅を求める点に特徴がある。他は第1の実施の形態と同様であるので、重複した記載を省略する。
【0029】
測定した反射干渉分光波形は、例えば、図3に示すように変化する。反射干渉分光波形の変化を数値化するのに、波形の極小値の波長依存性を用いる方法がある。あるいは、強度の差分を用いて数値化することもできる。第1の実施の形態の変形例においては、反射干渉分光強度の差分を用いた例を説明するが、波形極小値の波長依存性等を用いてもよいことは、勿論である。
【0030】
図3に示されているように、ある波長での反射干渉分光波形の変化は、単調な変化を示すとは限らないため、一波長の反射干渉分光強度の差分を用いたのでは、パターン幅の決定は不確定となることもある。第1の実施の形態の変形例では、測定波長領域400nmから800nm全体で、測定反射干渉分光強度と初期の測定反射干渉分光強度の各波長での差分をとり、その差分の和を累積強度差分とする。図7に示すように、累積強度差分と縮小レジストマスク35a〜35cのパターンの縮小幅の関係は単調な依存性を示す。このようにして数値化したデータをパターン幅測定装置10の算出部26に格納しておく。そして、パターン縮小工程で測定される反射干渉分光波形から、算出部26において累積強度差分が算出される。算出された累積強度差分から、数値化されたデータを参照することにより、パターン幅が簡便に精度よく求まる。
【0031】
本発明の第1の実施の形態の変形例によれば、レジストマスクのパターン幅を光学的に測定しながら、簡便に、且つ制御性及び再現性よく縮小することができる。なお、このように測定反射干渉分光波形の変化を数値化し数値化されたデータを参照すれば、レジストマスクのパターン幅だけでなくレジストの厚さについても算出できることは明らかであり、その他一般的な反射干渉分光波形に基づく厚さ、深さ等の光学的な寸法測定に広く応用されて、複雑な理論波形とのフィッティングを省略することができる。
【0032】
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係るパターン幅測定装置10dは、図8に示すように、プラズマエッチング装置に、上述の第1の実施の形態に係るパターン幅測定装置10を設けたものである。プラズマエッチング装置には、パターン縮小加工チャンバ50内に下部電極52が配置されている。下部電極52の上面には、エッチングされる半導体基板16が載置される。パターン縮小加工チャンバ50の上部には、例えば石英ガラスから成る計測窓54が配置されている。この計測窓54を介して、半導体基板16への入射光がパターン縮小加工チャンバ50内に導入され、また半導体基板16からの反射光がパターン縮小加工チャンバ50内から取り出されることになる。
【0033】
プラズマエッチング装置にパターン幅測定装置10dを設置することにより、パターン縮小工程でのプラズマエッチングによるパターン幅の縮小を「その場」(in−situ)で測定することができる。さらに、パターン幅測定装置10dによるパターン幅測定結果をプラズマエッチング装置にリアルタイムでフィードバックすることで、パターン縮小工程でのプラズマエッチングを高精度に制御することが可能となる。特に、パターン縮小工程によって微細なゲート構造を加工形成する場合に好適である。
【0034】
本発明の第2の実施の形態に係るパターン形成方法は、パターン幅測定装置10dをプラズマエッチング装置に設置して、パターン縮小工程でのプラズマエッチング中に、その場でパターン幅の測定を行いながらパターン縮小工程を制御する点が第1の実施の形態と相違する。他は、第1の実施の形態と同様であり、重複した説明は省略する。
【0035】
また、図8に示すように、パターン幅測定装置10dには、第1の実施の形態に係るパターン幅測定装置10を用いた例を示しているが、パターン幅測定装置10に替えて、上記の第1の実施の形態に係る他のパターン幅測定装置10a〜10cを用いても良いことはもちろんである。
【0036】
次に、図9を用いて、本発明の第2の実施の形態に係るパターン形成方法を用いたゲート構造加工について説明する。
【0037】
(イ)まず、下地層を表面に有する、Si等からなる半導体基板16を用意する。図9(a)に示すように、半導体基板16の主面上には、下地層としてSiO膜等の絶縁膜60、及びポリシリコン膜等の導電膜62が順次堆積されている。導電膜62上には、フォトリソグラフィによりゲートレジストマスク74とモニタレジストマスク64a〜64cが形成されている。ここで、絶縁膜60は、厚さ2nmのシリコン酸化膜、導電膜62は、厚さ175nmのポリシリコン膜である。ゲートレジストマスク74は、ゲート構造を形成するための孤立したレジストパターンである。ゲートレジストマスク74のパターン幅は110nmで、厚さは300nmである。一方、モニタレジストマスク64a〜64cは、パターン幅110nm、周期Pr200nm、厚さ300nmの周期的なL/Sパターンである。
【0038】
(ロ)図9(a)に示す半導体基板16をパターン縮小加工チャンバ50内の下部電極52上に載置する。次に、パターン縮小加工チャンバ50内を真空排気する。その後、エッチングガスを導入し、高周波電力の印加によりプラズマエッチングを行い、パターン縮小工程が進められる。プラズマエッチングを開始する直前から、パターン幅測定装置10dによりモニタレジストマスク64a〜64cに光が照射され、400nmから800nmの波長範囲で初期反射干渉分光波形が測定される。その後、反射干渉分光波形の測定を行いながら、ゲートレジストマスク74のパターン縮小工程が実施される。パターン縮小工程により、ゲートレジストマスク74及びモニタレジストマスク64a〜64cは、図9(b)に示すように、幅及び厚さが減少して縮小ゲートレジストマスク75及び縮小モニタレジストマスク65a〜65cとなる。算出部26は、400nmから800nmの波長領域において縮小モニタレジストマスク65a〜65cからの反射干渉分光波形に基づいて、縮小モニタレジストマスク65a〜65cの縮小パターン幅を算出する。算出された結果は、プラズマエッチングを制御するエッチング制御部(図示省略)にフィードバックされる。縮小パターン幅を一定時間ごとに測定し、パターン縮小工程のプラズマエッチングのエンドポイントを決定するようにして、所望の縮小モニタレジストマスクのパターン幅、例えば70nmになるまでプラズマエッチングを行う。この結果、縮小ゲートレジストマスク75も所望の70nmまで縮小される。
【0039】
(ハ)パターン縮小工程終了後、半導体基板16をパターン縮小加工チャンバ50より取り出し、RIE装置に設置する。縮小ゲートレジストマスク75及び縮小モニタレジストマスク65a〜65cをエッチングマスクとして、導電膜62及び絶縁膜60をRIEにより選択的にエッチングする。図9(c)に示すように、ゲート電極78とゲート絶縁膜76からなるゲート構造と、モニタ導電膜68a〜68cとモニタ絶縁膜66a〜66cからなるモニタパターンが加工形成される。
【0040】
第2の実施の形態に係るパターン形成方法によれば、パターン縮小工程のプラズマエッチング処理中であっても、パターン縮小加工チャンバ50内で縮小モニタレジストマスク65a〜65cの縮小パターン幅をリアルタイムに測定することができる。このため、エッチング時間を含めたエッチング条件の調整をその場で行なうことが可能となり、所望の縮小パターン幅が精度よく達成できるようになる。それにより、従来の時間管理のようにエッチング状態の変動等に何ら影響を受けることなく、縮小パターン幅を制御することができる。
【0041】
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明を第1及び第2の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【0042】
本発明の第1及び第2の実施の形態においては、説明の便宜上、反射干渉分光波形を測定するレジストパターンは、周期的なL/Sパターンとしたが、パターン間隔及び、レジスト膜と真空との混合層の混合比が判れば、任意のパターンでもよいのは勿論である。実際には、レジストマスクパターン形成用のマスクパターンデータをもとに、予めパターン間隔及び、レジストと真空との面積比を求めておけばよいので、複雑なパターンであっても問題はない。また、半導体基板の半導体素子が形成されない領域に、レジストパターンのダミーパターン、例えば図2に示したような単純なL/Sパターンを設けて、測定領域としてもよいことは勿論である。
【0043】
また、下地層の絶縁膜として、SiO膜を用いて説明したが、他の絶縁膜、例えば、シリコン窒化膜(Si)、シリコン酸化窒化膜(SiO)、燐あるいは燐とボロンを拡散したシリコン酸化膜(PSGあるいはBPSG)、シリコーン系樹脂によるスピン・オン・グラス膜(SOG)、ポリイミド樹脂膜、フッ素添加シリコン酸化膜、オルガノポリシロキサン系化合物膜、無機ポリシロキサン系化合物膜等が使用できることも明らかである。
【0044】
また、下地層の導電膜として、ポリシリコン膜を用いて説明したが、他の導電膜、例えば、アルミニウム(Al)、タングステン(W)等の金属膜、タングステンシリサイド(WSi)、チタンシリサイド(TiSi)等の金属シリサイド膜や、窒化タングステン(WN)、窒化チタン(TiN)等の窒化金属等の金属化合物膜等が使用できることは、勿論である。
【0045】
このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。
【0046】
【発明の効果】
本発明によれば、マスク材のパターン幅を光学的に測定しながら縮小する、制御性及び再現性の良いパターン形成方法を提供することができる。
【0047】
また、本発明によれば、マスク材のパターン幅を光学的に測定しながら縮小する、制御性及び再現性の良いパターン形成方法を用いた半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係るパターン幅測定装置の概略構成図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係るパターン形成方法の説明に用いる半導体基板の一例を示す断面図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態に係るパターン幅測定装置によって得られる、半導体基板の反射干渉分光波形の一例を示すグラフである。
【図4】本発明の第1の実施の形態に係るパターン幅測定装置の一例を示す概略構成図(その1)である。
【図5】本発明の第1の実施の形態に係るパターン幅測定装置の一例を示す概略構成図(その2)である。
【図6】本発明の第1の実施の形態に係るパターン幅測定装置の一例を示す概略構成図(その3)である。
【図7】本発明の第1の実施の形態に係るパターン幅測定装置によって得られる、半導体基板の反射干渉分光波形の累積強度差分と縮小幅の関係を示すグラフである。
【図8】本発明の第2の実施の形態に係るパターン幅測定装置の概略構成図である。
【図9】本発明の第2の実施の形態に係わるゲート構造加工を説明するための工程断面図である。
【符号の説明】
10、10a〜10d パターン幅測定装置
12 光源
14 レンズ
16 半導体基板
18 ビームスプリッタ
18a 偏光ビームスプリッタ
20 光ファイバ
22 分光器
24 検出器
26 算出部
30、60 絶縁膜
32、62 導電膜
34a〜34c レジストマスク
35a〜35c 縮小レジストマスク
48 偏光板
50 パターン縮小加工チャンバ
52 下部電極
54 計測窓
64a〜64c モニタレジストマスク
65a〜65c 縮小モニタレジストマスク
66a〜66c モニタ絶縁膜
68a〜68c モニタ導電膜
74 ゲートレジストマスク
75 縮小ゲートレジストマスク
76 ゲート絶縁膜
78 ゲート電極
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a pattern forming method. Further, the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device using the pattern forming method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the gate structure of a metal-oxide-semiconductor (MOS) transistor has been formed by the following method. First, for example, a thin gate oxide film is formed on a p-type silicon (Si) substrate, and a polysilicon thin film is deposited on the gate oxide film. Next, a photoresist is applied on the polysilicon thin film, and a gate resist mask is formed using a photolithography technique. Next, using the gate resist mask, the polysilicon thin film and the gate oxide film are selectively etched by reactive ion etching (RIE), and the gate structure is processed and formed. Since RIE is directional etching, the polysilicon thin film and the gate oxide film are processed perpendicularly to the etching mask, and a gate structure is formed with the pattern size of the gate resist mask.
[0003]
However, with the recent trend toward higher integration and higher speed of semiconductor devices, the gate width is required to be further narrowed. Are being driven into an impossible situation. For this reason, a pattern forming method in which a resist mask is once formed by a conventional method, and thereafter the pattern width of the resist mask is reduced by isotropic etching using a reactive gas species such as plasma is used. Have been. However, in this pattern reduction step, the control of the pattern width of the resist mask is usually controlled by managing the etching time. Specifically, the etching rate is calculated in advance from several preliminary experiments, and the reduction width of the pattern is determined by controlling the etching time using the obtained etching rate. Therefore, there is a problem that the controllability and reproducibility are reduced due to an unexpected change in the etching state in the pattern reduction step, and the pattern width of the gate structure is varied.
[0004]
In addition, a scanning electron microscope (SEM) is usually used as a method for measuring the pattern width of a fine resist mask. In the measurement by SEM, it is necessary to mount the semiconductor substrate in the SEM sample chamber which is evacuated, which is not simple. Further, since the SEM uses a high energy beam, the resist mask is damaged. From such a viewpoint, an optical method is desirable for the pattern width measurement. On the other hand, there is disclosed a method of optically measuring the depth of a groove in a step of forming a groove in an insulating film using a resist mask. For example, in a wavelength region that is twice or more the pattern interval of the lower wiring structure, the depth of the groove is obtained by parameter fitting based on the reflection interference spectral waveform intensity (for example, see Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-93870
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional pattern reduction process of a resist mask having a gate structure or the like, the pattern reduction width is controlled by controlling the etching time. Therefore, it is difficult to improve the controllability and reproducibility of the pattern reduction width or the productivity of the pattern reduction process. Patent Document 1 proposes a method for optically measuring depth, but does not disclose an optical method for measuring pattern width.
[0007]
An object of the present invention is to solve such problems and to provide a pattern forming method with good controllability and reproducibility in which a pattern width is reduced while being optically measured in a pattern width reducing step.
[0008]
It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device using a pattern forming method with good controllability and reproducibility, in which the pattern width of a mask material is reduced while being optically measured.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, a first aspect of the present invention includes (a) a step of forming a mask material on at least a part of a region of an underlayer, (b) a step of etching the mask material, (C) irradiating the etched mask material with light, detecting reflected light of light reflected after substantially transmitting through the mask material, and obtaining a reflection interference spectral waveform; A step of calculating a pattern width of a mask material using data of a reflection interference spectral waveform in a wavelength region larger than the pitch of the pattern to be provided.
[0010]
A second feature of the present invention is that (a) a step of forming a base layer on a semiconductor substrate, (b) a step of forming a mask material on at least a partial region of the base layer, and (c) a mask. Etching the material, and (d) irradiating the etched mask material with light, detecting the reflected light after substantially transmitting through the mask material, and obtaining a reflection interference spectral waveform (E) calculating the pattern width of the mask material by using the data of the reflection interference spectral waveform in the wavelength region larger than the pitch of the pattern of the mask material; and (f) etching until the desired pattern width is obtained. And a step of selectively processing an underlayer using the mask material described above.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the embodiment of the present invention, the calculation of the pattern width of the mask material may be performed by quantifying the change caused by the etching of the reflection interference spectral waveform. Further, it is preferable that the etching of the mask material is performed selectively with respect to the base layer. When a resist is used as a mask material for a base film such as a silicon oxide film or a polysilicon film, selective etching of the mask material is performed using, for example, oxygen plasma. Preferably, the step of obtaining a reflection interference spectral waveform is performed by introducing light into a pattern reduction processing chamber for performing etching. Preferably, the detected reflected light is polarized light, and the direction of the polarized light applied to the mask material is substantially parallel to the longitudinal direction of the mask pattern. It is preferable that the method further includes a step of selectively processing the base layer using the reduced mask material.
[0012]
Hereinafter, first and second embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the plane dimension, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. In addition, it is needless to say that the drawings include portions having different dimensional relationships and ratios.
[0013]
(First Embodiment)
As shown in FIG. 1, a pattern width measuring apparatus 10 according to a first embodiment of the present invention includes a light source 12 composed of a tungsten lamp having a continuous spectral distribution from a visible light region to an infrared region, A lens 14 for reducing the incident light by a reduction optical system and irradiating a semiconductor substrate 16 having a mask material formed of a film pattern on the surface of which the incident light such as a resist is substantially transmitted, and a lens 14 and a lens 14 A polarizing plate 48 that is inserted into the optical fiber and converts incident light into polarized light; a beam splitter 18 that distributes reflected light from the semiconductor substrate 16; an optical fiber 20 that introduces reflected light distributed from the beam splitter 18; A spectroscope 22 for splitting the reflected light introduced from 20 and a detection for detecting the reflection intensity of each of the split reflected light and outputting a reflection interference spectral waveform; It includes a 24, a calculation unit 26 for calculating a pattern width of the mask material on the basis of the reflection interference spectrum.
[0014]
In the first embodiment of the present invention, a resist mask having a line and space (L / S) pattern on at least a part of a region of an underlayer formed on a semiconductor substrate 16 will be described as an example. Here, the incident light is converted by the polarizing plate 48 into polarized light substantially parallel to the longitudinal direction of the L / S pattern. The L / S pattern layer of the resist mask irradiated with the polarized light corresponds to the mixing ratio of the resist film of the resist mask and the vacuum with respect to the irradiation light in a wavelength region larger than the period (pitch) of the L / S pattern. It can be regarded as a mixed layer having an average effective refractive index (for example, see Hisao Kikuta, O Plus E., Vol. 21, No. 5, page 543). Therefore, parameter fitting between the measured reflection interference spectral waveform and the theoretical waveform is performed on the multilayer film composed of the mixed layer and the underlayer, using the mixing ratio of the resist film and the vacuum and the thickness of the resist mask as parameters. Thus, the pattern width of the resist mask can be calculated. The calculation of the pattern width is performed by the calculation unit 26. The calculation unit 26 is realized by, for example, software installed on a computer, a program implemented as hardware, or the like.
[0015]
Next, a pattern forming method according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2A, a silicon oxide film (SiO 2) is formed as a base layer on a main surface of a semiconductor substrate 16 made of silicon (Si) or the like used in the pattern forming method according to the first embodiment. 2 ) And a conductive film 32 such as a polysilicon film are sequentially deposited. On the conductive film 32, resist masks 34a to 34c are arranged. In the first embodiment of the present invention, the insulating film 30 is a silicon oxide film having a thickness of 2 nm, and the conductive film 32 is a polysilicon film having a thickness of 175 nm. The resist masks 34a to 34c are L / S patterns having a pattern width of 110 nm, a period Pr of 200 nm, and a thickness of 300 nm.
[0016]
The semiconductor substrate 16 shown in FIG. 2A is installed in a plasma etching device. Then, a resist mask pattern reduction step by plasma etching is performed. Oxygen (O 2 A) gas is used, but any gas may be used as long as it can selectively etch the resist masks 34a to 34c with respect to the underlying layer.
[0017]
The pattern width is measured during the pattern reduction process. That is, the semiconductor substrate 16 once taken out of the plasma etching apparatus is set in the pattern width measuring apparatus. The incident light from the light source 12 is reduced and polarized by the lens 14 and the polarizing plate 48 and is irradiated on the surface of the semiconductor substrate 16. The reflected light from the semiconductor substrate 16 is introduced into the spectroscope 22 through the beam splitter 18 and the optical fiber 20. The reflected light separated by the spectroscope 22 is output to the detector 24, and the reflected light intensity for each wavelength is detected. The reflected interference spectral waveform of the detection result of the detector 24 is output to the calculation unit 26, and the calculation unit 26 calculates the pattern width of the resist masks 34a to 34c on the semiconductor substrate 16.
[0018]
When the reflection interference spectral waveform is measured in the wavelength range of 400 nm to 800 nm, as shown in FIG. 3, the reflection interference spectral waveform changes according to the change (reduction) in the pattern width of the resist masks 34a to 34c. FIG. 3 shows an example in which the reflection interference spectral intensity is measured every plasma etching for a certain period of time. It can be seen that the pattern width has been reduced by 5 nm by the plasma etching for a certain period of time.
[0019]
Here, while the period Pr of the L / S pattern of the resist masks 34a to 34c is 200 nm, the measured wavelength region is 400 nm to 800 nm, which is larger than the period Pr. Therefore, the L / S pattern layers of the resist masks 34a to 34c are formed of an average effective refractive index n of the resist and vacuum. p Can be regarded as a uniform mixed layer having.
[0020]
The mixing ratio of the L / S pattern is represented by the volume ratio t of the resist films of the resist masks 34a to 34c corresponding to the line portions. Effective refractive index n of the mixed layer p If the refractive index of the resist film at the wavelength λ is n (λ), the vacuum refractive index is 1,
n p = {T · n (λ) 2 + (1-t)} 1/2 ... (1)
Given by When the pattern width is W, the mixing ratio t and the period Pr of the L / S pattern are:
W = t · Pr (2)
You can ask.
[0021]
Therefore, the effective refractive index n p The reflection interference spectral waveform is fitted to a theoretical waveform using the mixing ratio t of the mixed layer and the resist film thickness as parameters as a single layer film of the mixed layer having the following. From the mixture ratio obtained by the fitting, the pattern width W of the resist mask is calculated using Expression (2).
[0022]
Based on the result calculated by the calculation unit 26 as described above, the end point of the plasma etching in the pattern reduction process is determined. As shown in FIG. 2B, the resist masks 34a to 34c are reduced in pattern width and thickness to become reduced resist masks 35a to 35c by the pattern reduction process. Finally, the pattern width of the reduced resist masks 35a to 35c is reduced to 70 nm, and at this time, the resist film thickness is reduced to 200 nm.
[0023]
According to the pattern forming method according to the first embodiment of the present invention, it is possible to reduce the pattern width of the resist mask with good controllability and reproducibility while optically measuring the pattern width.
[0024]
In the above-described example, the plasma etching in the pattern reduction step is repeatedly performed for a fixed time. In this method, the pattern width can be reduced with good controllability and reproducibility, but requires a long time. Therefore, in the actual pattern reduction step, for example, plasma etching is performed once at about 80% of the target pattern reduction width in anticipation of fluctuations in plasma etching conditions, and thereafter, the pattern forming method according to the first embodiment is performed. To fine-tune the pattern width.
[0025]
Further, in the pattern width measuring apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention, the polarizing plate 48 is provided between the lens 14 and the semiconductor substrate 16, but the polarizing plate 48 is provided at another position. You may. For example, a polarizing plate 48 may be provided between the beam splitter 18 and the lens 14. In addition, as in the pattern width measuring apparatus 10a shown in FIG. 4, a polarizing plate 48 is provided between the light source 12 and the beam splitter 18 so that light reflected from the semiconductor substrate 16 does not pass through the polarizing plate 48. Can be. Alternatively, instead of making the incident light on the semiconductor substrate 16 into polarized light, for example, a polarizing plate 48 is installed between the beam splitter 18 and the optical fiber 20 as in a pattern width measuring device 10b shown in FIG. Alternatively, only a desired polarization component of the reflected light may be detected. Further, as in a pattern width measuring apparatus 10c shown in FIG. 6, a polarization beam splitter 18a may be used instead of the beam splitter 18, and only a desired polarization component of the reflected light may be reflected and guided to the optical fiber 20. .
[0026]
Further, in the first embodiment of the present invention, the incident light is polarized substantially parallel to the longitudinal direction of the L / S pattern, but may be polarized substantially perpendicular to the longitudinal direction of the L / S pattern. . In this case, the effective refractive index n of the mixed layer v Is
n v = {1 / [t / n (λ) 2 + (1−t)]} 1/2 (3)
Given by
[0027]
Further, in the first embodiment of the present invention, the pattern widths and intervals of the resist masks 34a to 34c are equal, but the pattern widths and intervals of the resist masks 34a to 34c may be different. In that case, a wavelength region equal to or longer than the maximum period Pr of the resist masks 34a to 34c may be used.
[0028]
(Modification)
In the pattern forming method according to the modification of the first embodiment of the present invention, the measured reflection interference spectroscopy caused by the change in the pattern width and the resist film thickness of the resist masks 34a to 34c without using a complicated theoretical waveform. It is characterized in that the change in waveform is digitized and the pattern width of the resist masks 34a to 34c is determined based on the numerical value. The other parts are the same as those of the first embodiment, and duplicate descriptions are omitted.
[0029]
The measured reflection interference spectral waveform changes, for example, as shown in FIG. In order to quantify the change in the reflection interference spectral waveform, there is a method using the wavelength dependence of the minimum value of the waveform. Alternatively, a numerical value can be obtained using a difference between the intensities. In the modification of the first embodiment, an example using the difference between the reflection interference spectral intensities will be described. However, it is needless to say that the wavelength dependence of the waveform minimum value may be used.
[0030]
As shown in FIG. 3, a change in the reflection interference spectral waveform at a certain wavelength does not necessarily indicate a monotonous change. The decision may be indeterminate. In the modification of the first embodiment, the difference between the measured reflection interference spectral intensity and the initial measurement reflection interference spectral intensity at each wavelength is measured in the entire measurement wavelength range from 400 nm to 800 nm, and the sum of the differences is calculated as the cumulative intensity difference. And As shown in FIG. 7, the relationship between the accumulated intensity difference and the reduced width of the pattern of the reduced resist masks 35a to 35c shows a monotonic dependence. The data quantified in this way is stored in the calculation unit 26 of the pattern width measuring apparatus 10. Then, the cumulative intensity difference is calculated in the calculation unit 26 from the reflected interference spectral waveform measured in the pattern reduction process. By referring to the digitized data from the calculated cumulative intensity difference, the pattern width can be easily and accurately determined.
[0031]
According to the modification of the first embodiment of the present invention, the pattern width of the resist mask can be reduced easily and with good controllability and reproducibility while optically measuring the pattern width. It should be noted that it is clear that not only the pattern width of the resist mask but also the thickness of the resist can be calculated by referring to the data obtained by digitizing the change of the measured reflection interference spectral waveform in this way. It is widely applied to the measurement of optical dimensions such as thickness and depth based on the reflection interference spectral waveform, and the fitting with a complicated theoretical waveform can be omitted.
[0032]
(Second embodiment)
As shown in FIG. 8, a pattern width measuring apparatus 10d according to the second embodiment of the present invention includes a plasma etching apparatus provided with the above-described pattern width measuring apparatus 10 according to the first embodiment. is there. In the plasma etching apparatus, a lower electrode 52 is disposed in a pattern reduction processing chamber 50. On the upper surface of the lower electrode 52, the semiconductor substrate 16 to be etched is placed. Above the pattern reduction processing chamber 50, a measurement window 54 made of, for example, quartz glass is arranged. Through this measurement window 54, light incident on the semiconductor substrate 16 is introduced into the pattern reduction processing chamber 50, and reflected light from the semiconductor substrate 16 is extracted from the pattern reduction processing chamber 50.
[0033]
By installing the pattern width measuring device 10d in the plasma etching device, the reduction of the pattern width due to the plasma etching in the pattern reduction step can be measured “in-situ”. Furthermore, by feeding back the pattern width measurement result by the pattern width measurement device 10d to the plasma etching device in real time, it becomes possible to control the plasma etching in the pattern reduction process with high accuracy. In particular, it is suitable for processing and forming a fine gate structure by a pattern reduction process.
[0034]
In the pattern forming method according to the second embodiment of the present invention, the pattern width measuring apparatus 10d is installed in a plasma etching apparatus, and the pattern width is measured in place during the plasma etching in the pattern reduction step. The point that the pattern reduction step is controlled is different from the first embodiment. Others are the same as those of the first embodiment, and a duplicate description will be omitted.
[0035]
As shown in FIG. 8, an example in which the pattern width measuring apparatus 10 according to the first embodiment is used as the pattern width measuring apparatus 10 d is shown. Of course, other pattern width measuring devices 10a to 10c according to the first embodiment may be used.
[0036]
Next, a gate structure processing using a pattern forming method according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0037]
(A) First, a semiconductor substrate 16 made of Si or the like having a base layer on the surface is prepared. As shown in FIG. 9A, on the main surface of the semiconductor substrate 16, SiO 2 An insulating film 60 such as a film and a conductive film 62 such as a polysilicon film are sequentially deposited. On the conductive film 62, a gate resist mask 74 and monitor resist masks 64a to 64c are formed by photolithography. Here, the insulating film 60 is a silicon oxide film having a thickness of 2 nm, and the conductive film 62 is a polysilicon film having a thickness of 175 nm. The gate resist mask 74 is an isolated resist pattern for forming a gate structure. The gate resist mask 74 has a pattern width of 110 nm and a thickness of 300 nm. On the other hand, the monitor resist masks 64a to 64c are periodic L / S patterns having a pattern width of 110 nm, a period Pr of 200 nm, and a thickness of 300 nm.
[0038]
(B) The semiconductor substrate 16 shown in FIG. 9A is placed on the lower electrode 52 in the pattern reduction processing chamber 50. Next, the inside of the pattern reduction processing chamber 50 is evacuated. Thereafter, an etching gas is introduced, plasma etching is performed by applying high frequency power, and a pattern reduction process is performed. Immediately before starting the plasma etching, the monitor resist masks 64a to 64c are irradiated with light by the pattern width measuring apparatus 10d, and the initial reflection interference spectral waveform is measured in the wavelength range of 400 nm to 800 nm. Thereafter, a pattern reduction process of the gate resist mask 74 is performed while measuring the reflection interference spectral waveform. By the pattern reduction process, the gate resist mask 74 and the monitor resist masks 64a to 64c are reduced in width and thickness as shown in FIG. Become. The calculation unit 26 calculates the reduced pattern width of the reduced monitor resist masks 65a to 65c based on the reflection interference spectral waveforms from the reduced monitor resist masks 65a to 65c in the wavelength region of 400 nm to 800 nm. The calculated result is fed back to an etching control unit (not shown) for controlling the plasma etching. The reduced pattern width is measured at regular intervals, and the plasma etching is performed until the pattern width of the desired reduced monitor resist mask, for example, 70 nm, is determined so as to determine the end point of the plasma etching in the pattern reduction step. As a result, the reduced gate resist mask 75 is also reduced to a desired 70 nm.
[0039]
(C) After the pattern reduction step is completed, the semiconductor substrate 16 is taken out of the pattern reduction processing chamber 50 and set in the RIE apparatus. The conductive film 62 and the insulating film 60 are selectively etched by RIE using the reduced gate resist mask 75 and the reduced monitor resist masks 65a to 65c as etching masks. As shown in FIG. 9C, a gate structure including the gate electrode 78 and the gate insulating film 76 and a monitor pattern including the monitor conductive films 68a to 68c and the monitor insulating films 66a to 66c are processed and formed.
[0040]
According to the pattern forming method according to the second embodiment, the reduced pattern width of the reduced monitor resist masks 65a to 65c is measured in real time in the pattern reduction processing chamber 50 even during the plasma etching process in the pattern reduction step. can do. Therefore, it is possible to adjust the etching conditions including the etching time on the spot, and a desired reduced pattern width can be accurately achieved. As a result, the reduced pattern width can be controlled without being affected by the fluctuation of the etching state or the like unlike the conventional time management.
[0041]
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described by the first and second embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operation techniques will be apparent to those skilled in the art.
[0042]
In the first and second embodiments of the present invention, the resist pattern for measuring the reflection interference spectral waveform is a periodic L / S pattern for convenience of explanation. Of course, any pattern may be used as long as the mixing ratio of the mixed layer is known. Actually, since the pattern interval and the area ratio between the resist and the vacuum may be obtained in advance based on the mask pattern data for forming the resist mask pattern, there is no problem even if the pattern is complicated. Further, it is a matter of course that a dummy pattern of a resist pattern, for example, a simple L / S pattern as shown in FIG. 2 may be provided in a region where the semiconductor element is not formed on the semiconductor substrate to be a measurement region.
[0043]
Further, as an insulating film of the underlayer, SiO 2 2 Although the description has been made using the film, another insulating film, for example, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ), Silicon oxynitride film (SiO x N y ), A silicon oxide film (PSG or BPSG) in which phosphorus or phosphorus and boron are diffused, a spin-on-glass film (SOG) made of a silicone resin, a polyimide resin film, a fluorine-added silicon oxide film, an organopolysiloxane compound film, It is clear that an inorganic polysiloxane compound film or the like can be used.
[0044]
Although the description has been made using the polysilicon film as the conductive film of the base layer, other conductive films, for example, a metal film such as aluminum (Al) and tungsten (W), and tungsten silicide (WSi 2 ), Titanium silicide (TiSi 2 ) And tungsten nitride (WN) 2 ) And a metal compound film such as a metal nitride such as titanium nitride (TiN).
[0045]
As described above, the present invention naturally includes various embodiments and the like not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is determined only by the matters specifying the invention related to the claims that are appropriate from the above description.
[0046]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a pattern forming method with good controllability and reproducibility, in which the pattern width of a mask material is reduced while being optically measured.
[0047]
Further, according to the present invention, it is possible to provide a method of manufacturing a semiconductor device using a pattern forming method with good controllability and reproducibility, in which the pattern width of a mask material is reduced while being optically measured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a pattern width measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a semiconductor substrate used for explaining a pattern forming method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing an example of a reflection interference spectral waveform of a semiconductor substrate obtained by the pattern width measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram (part 1) illustrating an example of a pattern width measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram (part 2) illustrating an example of a pattern width measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram (part 3) illustrating an example of a pattern width measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the accumulated intensity difference of the reflected interference spectral waveform of the semiconductor substrate and the reduction width obtained by the pattern width measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a pattern width measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a process cross-sectional view for explaining a gate structure processing according to the second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10, 10a-10d Pattern width measuring device
12 light source
14 Lens
16 Semiconductor substrate
18 Beam splitter
18a Polarizing beam splitter
20 Optical fiber
22 Spectrometer
24 detector
26 Calculation unit
30, 60 insulating film
32, 62 conductive film
34a-34c resist mask
35a-35c Reduced resist mask
48 Polarizing plate
50 pattern reduction processing chamber
52 Lower electrode
54 Measurement window
64a to 64c monitor resist mask
65a-65c Reduction monitor resist mask
66a-66c Monitor insulating film
68a-68c Monitor conductive film
74 Gate resist mask
75 Reduction gate resist mask
76 Gate insulating film
78 Gate electrode

Claims (20)

下地層の少なくとも一部の領域の上にマスク材を形成する工程と、
前記マスク材をエッチングする工程と、
前記エッチングが行われた前記マスク材に光を照射し、前記マスク材を実質的に透過した後に反射された前記光の反射光を検知し、反射干渉分光波形を得る工程と、
前記マスク材が有するパターンのピッチの2倍以上の波長領域の前記反射干渉分光波形のデータを用いて、前記マスク材のパターン幅を算出する工程
とを含むことを特徴とするパターン形成方法。
Forming a mask material on at least a part of the region of the underlayer;
Etching the mask material;
Irradiating the mask material on which the etching has been performed with light, detecting reflected light of the light reflected after substantially transmitting through the mask material, and obtaining a reflection interference spectral waveform;
Calculating a pattern width of the mask material using data of the reflected interference spectral waveform in a wavelength region that is at least twice the pitch of the pattern of the mask material.
前記エッチングが、前記マスク材のパターン幅を縮小することを特徴とする請求項1に記載のパターン形成方法。The pattern forming method according to claim 1, wherein the etching reduces a pattern width of the mask material. 前記パターン幅を算出する工程は、前記反射干渉分光波形の前記エッチングに起因する変化を数値化して行うことを特徴とする請求項1又は2に記載のパターン形成方法。The pattern forming method according to claim 1, wherein the step of calculating the pattern width is performed by quantifying a change caused by the etching of the reflection interference spectral waveform. 算出された前記パターン幅に基づいて前記エッチングのエンドポイントを決定することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のパターン形成方法。The pattern forming method according to claim 1, wherein an end point of the etching is determined based on the calculated pattern width. 前記エッチングが、前記下地層に対して選択的に行われることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のパターン形成方法。The method according to claim 1, wherein the etching is performed selectively on the underlayer. 前記エッチングが、プラズマを用いて実施されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のパターン形成方法。The pattern forming method according to claim 1, wherein the etching is performed using plasma. 前記光が、前記エッチングを実施するチャンバ内に導入されて前記マスク材に照射され、且つ前記反射光が前記チャンバ内から取り出されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のパターン形成方法。The said light is introduce | transduced into the chamber which performs the said etching, irradiates the said mask material, and the said reflected light is taken out from the said chamber, The Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. Pattern formation method. 検知される前記反射光が、偏光光であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のパターン形成方法。The pattern forming method according to any one of claims 1 to 7, wherein the detected reflected light is polarized light. 前記マスク材に照射される光が、前記パターンの長手方向に対して略平行な偏光光であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のパターン形成方法。9. The pattern forming method according to claim 1, wherein the light applied to the mask material is polarized light substantially parallel to a longitudinal direction of the pattern. 10. 前記マスク材が、レジストからなることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のパターン形成方法。The pattern forming method according to claim 1, wherein the mask material is made of a resist. 半導体基板上に下地層を形成する工程と、
前記下地層の少なくとも一部の領域の上にマスク材を形成する工程と、
前記マスク材をエッチングする工程と、
前記エッチングが行われた前記マスク材に光を照射し、前記マスク材を実質的に透過した後に反射された前記光の反射光を検知し、反射干渉分光波形を得る工程と、
前記マスク材が有するパターンのピッチの2倍以上の波長領域の前記反射干渉分光波形のデータを用いて、前記マスク材のパターン幅を算出する工程と、
所望のパターン幅となるまでエッチングされた前記マスク材を用いて、前記下地層を選択的に加工する工程
とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a base layer on the semiconductor substrate;
Forming a mask material on at least a part of the region of the underlayer,
Etching the mask material;
Irradiating the mask material on which the etching has been performed with light, detecting reflected light of the light reflected after substantially transmitting through the mask material, and obtaining a reflection interference spectral waveform;
A step of calculating a pattern width of the mask material using data of the reflection interference spectral waveform in a wavelength region that is at least twice the pitch of the pattern of the mask material,
Selectively processing the base layer using the mask material etched to a desired pattern width.
前記エッチングが、前記マスク材のパターン幅を縮小することを特徴とする請求項11に記載の半導体装置の製造方法。The method according to claim 11, wherein the etching reduces a pattern width of the mask material. 前記パターン幅を算出する工程は、前記反射干渉分光波形の前記エッチングに起因する変化を数値化して行うことを特徴とする請求項11又は12に記載の半導体装置の製造方法。13. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, wherein the step of calculating the pattern width is performed by quantifying a change caused by the etching of the reflection interference spectral waveform. 算出された前記パターン幅に基づいて前記エッチングのエンドポイントを決定することを特徴とする請求項11〜13のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。14. The method according to claim 11, wherein an end point of the etching is determined based on the calculated pattern width. 前記エッチングが、前記下地層に対して選択的に行われることを特徴とする請求項11〜14のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, wherein the etching is performed selectively on the base layer. 前記エッチングが、プラズマを用いて実施されることを特徴とする請求項11〜15のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, wherein the etching is performed using plasma. 前記光が、前記エッチングを実施するチャンバ内に導入されて前記マスク材に照射され、且つ前記反射光が前記チャンバ内から取り出されることを特徴とする請求項11〜16のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。The said light is introduce | transduced into the chamber which performs the said etching, irradiates the said mask material, and the said reflected light is taken out from the said chamber, The said any one of Claims 11-16 characterized by the above-mentioned. Manufacturing method of a semiconductor device. 検知される前記反射光が、偏光光であることを特徴とする請求項11〜17のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。The method according to any one of claims 11 to 17, wherein the detected reflected light is polarized light. 前記マスク材に照射される光が、前記パターンの長手方向に対して略平行な偏光光であることを特徴とする請求項11〜18のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。19. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, wherein light applied to the mask material is polarized light substantially parallel to a longitudinal direction of the pattern. 前記マスク材が、レジストからなることを特徴とする請求項11〜19のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。20. The method according to claim 11, wherein the mask material is made of a resist.
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